Kan additiva tillverkningsmetoder användas vid direkttillverkning med metall som bas?

Additiv tillverkning i metall vid batchproduktion Kan additiva tillverkningsmetoder användas vid direkttillverkning med metall som bas? CHRISTOPHER DAHLGREN RASMUS ROLANDSSON MG104X Examensarbete inom Teknik och Management Stockholm, Sverige 2013

Additiv tillverkning i metall vid batchproduktion Kan additiva tillverkningsmetoder användas vid direkttillverkning med metall som bas? av Christopher Dahlgren Rasmus Rolandsson MG104X Examensarbete inom Teknik och Management KTH Industriell teknik och management Industriell produktion SE-100 44 STOCKHOLM 1

Sammanfattning Vårt arbete behandlar möjligheterna och hindren för att använda additiva tillverkningsmetoder (AM) med metall som bas för direkttillverkning vid batchproduktion. AM tillåter användaren att tillverka delar med komplicerade geometrier som är svåra, eller i vissa fall omöjliga, att tillverka för dagens konventionella tillverkningstekniker. Dessutom tillåter teknologin tillverkaren att skapa inre strukturer i ett material som exempelvis gitter- och bikakestrukturer. Metoderna för AM med metall skiljer sig bitvis ganska mycket åt, men grundprincipen är att man bygger upp en modell lager för lager utifrån en given digital fil, oftast CAD. Vårt arbete har därför behandlat området utifrån ett i första hand tekniskt men även kunskapsmässigt och ekonomiskt perspektiv då dessa har behövts analyseras i kombination med varandra för att på ett tillfredställande sätt kunna analysera området. Tyngdpunkten i de delar av rapporten som rör tekniska aspekter har framförallt lagts på Powder Bed Fusion-metoder av olika slag, då vi har bedömt att dessa tekniker av olika anledningar har varit särskilt intressanta för vår frågeställning. Vi har även behandlat bristen på standarder som bedömts ha hindrat utvecklingen av AM med metall som bas och den standardiseringsprocess som för närvarande pågår inom ISO på området. Jämförelser med konventionella tillverkningsteknikers styrkor och svagheter genomfördes också för att få en så god möjlighet att kunna besvara vår frågeställning kring området som möjligt. De slutsaster vi kunnat dra av arbetet visar att tekniken har många styrkor gentemot konventionell tillverkningsteknik och att utvecklingen på området går fort, men även att tekniken i dagsläget har ganska begränsade användningsområden inom produktion, framförallt för små föremål med komplicerade geometrier, helst även i små batcher pga. ekonomiska aspekter. Rapporten behandlar även områden där teknologin kan tänkas få sitt framtida genomslag snabbast bl.a. som en komponent utav supply chain management och som en metod att snabbt kunna börja tillverka en produkt innan fullskalig tillverkning, med konventionella metoder, kan påbörjas. 2

Abstract Our works purpose has been to analyze the possibilities, the obstacles and liabilities for Additive manufacturing (AM) with metal as material for use in direct manufacturing with batch production. AM allows the user to manufacture objects with high geometrical complicity, which manufacturability may be severely limited, or even impossible, while using traditional manufacturing techniques. AM with metal as material also allows the user to manufacture object with internal structures such as lattice and honeycomb structures. The use of AM for metal differs a lot depending on which of the many technique that is being used, but the main principle is the layer based manufacturing from a three dimensional file, usually a CAD-file, is the same for all methods. To be able to analyze the subject we have studied it mostly from a technical, but also, economical and knowledge based perspective to be able to see the full dimensions of the subject. The focus in the technical parts of our work has been on a family of AM methods called Powder Bed Fusion because we found them particularly interesting to be able to answer the question which we try to answer with our bachelor thesis. We have also discussed the lack of standardization of AM with metal and the standardization process that now is in progress. Comparisons with conventional manufacturing techniques main strengths and weaknesses was also carried out, to get a more complete answer to the thesis questions that we were trying to answer with our work. Our conclusions shows that AM with metal as building material currently have limited uses from an economical and technical perspective, mainly for small parts with complex geometry despite the many advantages that the technology possesses preferably in produced in small batches due to economic aspects. The development of AM with metal as building material is rapid however, and therefore there are some areas where AM might be deployed on a broad scale. With our work we also examined the possibility to use AM as a part of a future supply chain management strategy, and the possibility to use AM to quickly be able to start producing products before full scale production, with conventional methods can commence. 3

Förord Vi vill tacka Klas Boivie för allmän inspiration inom ämnet additiv tillverkning. Hans hjälp med begreppsförståelsen och den djupare förståelsen för vad additiv tillverkning har för potentiella användningsområden. Tacka Johan Wahren från SIS för bidraget med förklarning av det standardarbetet som pågår för additiv tillverkning inom Europa och även för att få bättre förståelse för vikten av standarder inom AM-världen. Tacka Isak Elfström på Arcam för hans bidrag till en inblick i det pågående utvecklings- och forskningsarbetet för deras tillverkningsmetod med additiv tillverkning. Tacka Scania och då särskilt Zeljko Petrovic för att de gav oss möjlighet att se additiv tillverkning i produktion även om det var med plast och även för att de gav den konventionella tillverkningsindustrins perspektiv på additiv tillverkning. Slutligen vill vi även tacka vår handledare Lasse Wingård för den tid han har lagt ner för att handleda detta arbete. Christopher Dahlgren och Rasmus Rolandsson Stockholm 2013-05-07 4

Innehåll ORDLISTA... 6 1 INLEDNING... 7 1.1 BAKGRUND... 7 1.2 SYFTE/FRÅGESTÄLLNING... 7 1.3 METOD... 8 1.4 RAPPORTUTFORMNING... 8 1.4 AVGRÄNSNINGAR... 9 2 ADDITIV TILLVERKNING... 9 2.1 HISTORIK... 9 2.2 GENERALISERAD ADDITIV TILLVERKNING MED PROCESSKEDJA... 10 3 TILLVERKNINGSMETODER... 12 3.1 LASERSINTRING... 14 3.2 LASERSMÄLTNING... 15 3.3 ELECTRON BEAM MELTING... 16 3.4 INK-BASERAD DIREKTTILLVERKNING... 18 4 FÖRUTSÄTTNINGAR FÖR ANVÄNDNING I KONVENTIONELL TILLVERKNINGSINDUSTRI... 19 4.1 JÄMFÖRELSE MED DEN KONVENTIONELLA CNC-TILLVERKNINGEN... 19 4.2 STANDARDISERINGSARBETE KRING ADDITIVA TILLVERKNINGSMETODER... 20 4.3 TILLVERKNINGSHASTIGHETER... 22 4.4 MATERIAL... 23 4.5 EKONOMI... 25 4.6 ÖVERVAKNING AV PROCESSER OCH KVALITETSSÄKRING... 26 4.7 AM OCH MILJÖPÅVERKAN... 27 5 NÄR ÄR ADDITIV TILLVERKNING EN LÄMPLIG METOD FÖR TILLVERKNING?... 27 5.1 DESIGN FÖR ADDITIV TILLVERKNING... 27 5.2 ETT SAMARBETE MELLAN ADDITIV TILLVERKNING OCH KONVENTIONELLA TILLVERKNINGSMETODER... 29 5.3 AM SOM SERVICE... 30 6 ANALYS... 30 6.1 VAD HINDRAR ANVÄNDNING AV ADDITIV TILLVERKNING VID BATCHPRODUKTION?... 30 6.2 TÄNKBARA OMRÅDEN FÖR AM... 32 7 SLUTSATSER... 34 7.1 REFLEKTIONER KRING VÅRT ARBETE... 35 7.2 FORTSATT ARBETE... 35 8 REFERENSER... 37 9 BILAGOR... 39 9.1 BILAGA 1 - KOSTNAD FÖR ATT TILLVERKA EN DEL MED SELECTIVE LASER MELTING RESPEKTIVE MED PRESSGJUTNING... 39 5

Ordlista AM - Förkortning för additiv tillverkning. Kommer av engelskans Additive Manufacturing AMF - Additive Manufacturing File format. Ett filformat som tillåter användaren att utnyttja de fördelar som finns med additiv tillverkning, exempelvis inre strukturer. Substitut till STL. ASTM - American Society for Testing and Materials. Amerikansk standardiseringsorganisation. CEN - Comité Européen de Normalisation. En europeisk standardiseringsorganisation med koppling till EU-kommissionen. DFM - Design For Manufacturing. Dagens rådande paradigm för design och konstruktion. Direkttillverkning - Syftar till teknologi som kan skapa två- eller tre-dimensionella strukturer på en yta utan formbestämande hjälpmedel. Detta står i kontrast till indirekt tillverkning där man ofta gjuter den del som skall tillverkas i en form. EBM - Electron Beam Melting. En powder bed fusion -metod som bygger på användandet av en elektronstråle som energikälla. FEM - Finita elementmetoden. En numerisk metod för lösandet av partiella differentialekvationer. Används i rapportens sammanhang för hållfasthetsberäkningar med hjälp av dator. Fly-to-buy - Kvoten mellan inköpt råmaterialet för en produkt och mängden material som hamnar i slutprodukten. Vanligt mått inom flygindustrin. HIP- Het Isostatisk Pressning. Tillverkningsprocess som används för att minska mängden porositeter och öka densiteten hos ett material av metall. ISO - Internationella standardiseringsorganisationen (av franskans Organisation internationale de normalisation ). Internationell standardiseringsorganisation. PBF - Powder Bed Fusion. Samlingsnamn för ett flertal olika AM-metoder som har användandet av en fokuserad energikälla på en pulverbädd gemensam. Reologi - Vetenskapen om vätskors och fasta materials tidsberoende deformationsegenskaper. SIS - Standardiseringskommissionen I Sverige. Svensk, icke vinstdrivande organisation för standardisering. SLM - Selective laser melting. Företagspatenterad powder bed fusion -metod med laser som energikälla för att smälta materialet. SLS - Selective laser sintering. Företagspatenterad powder bed fusion -metod med laser som energikälla för att sintra materialet. STL - Filformat som kan beskriva ett objekt som kan tillverkas av AM med hjälp av triangulering. Namnet kommer sig av StereoLithografi, en av de tidigaste AM-metoderna. Ti-6Al-4V - Står för att det är en titanlegering med 6 % aluminium och 4 % vanadin. Denna titanlegering har bra förutsättningar inom användningsområdena för medicinska implantat, lättviktskonstruktioner och fordonsindustrin. Frekvent använd inom flygplansindustrin. 6

1 Inledning 1.1 Bakgrund Additiv tillverkning är en samling av metoder som möjliggör framtagning av produkter från en digital (CAD) modell, metoderna bygger upp modeller genom att lägga till material lager för lager. Det finns inget standardiserat samlingsnamn för metoderna i Europa, därför kommer vi använda den amerikanska standardiseringen för det, Additive Manufacturing (AM). Konsultfirman Wohlers Associates skriver i sin årliga översikt över utvecklingen för AM att metoderna länge haft svårt att slå igenom på marknaden, men bara under de senaste 12-18 månaderna har många framsteg gjorts inom AM-teknologin. AM ses nu som seriös tillverkningsmetod, och även om många företag fortfarande är skeptiska till metoden så har många företag börjat använda metoden för tillverkning (Wohlers et al. 2012, s.250). Plast har väldigt lågt förädlingsvärde och är det material som har varit och är vanligast för additiv tillverkning i produktion, vanligen till prototyper. Forskningen finns, och metoderna har utvecklats för att skapa detaljer i metall, med direkttillverkning, det vill säga utan några formbestämande hjälpmedel. Det är praktiskt möjligt att ta fram produkter med konstruktioner som är omöjliga ur konventionellt tillverkningsperspektiv. Trots möjligheterna med AM så är det långt ifrån många företag som ens försökt att tillämpa tekniken för sina produkter i metall. Varför den praktiska implementeringen av AM i större skala inte exsisterar har varit drivkraften bakom vårt arbete. Vi kommer i det här arbetet försöka redogöra för vad som hindrar AM från att bli en populär tillverkningsmetod med metall som bas. Tillverkningen som finns i dag är väldigt begränsad och det som tillverkas är nästan alltid en eller några få produkter. Det finns mycket som gör att AM-metoderna lämpar sig att producera begränsade omgångar av produkter. Det är bland annat möjligt att tillverka flera produkter samtidigt, till en batch av produkter, vi kommer i försättningen använda batchproduktion för att beskriva detta. 1.2 Syfte/frågeställning Syftet med vår rapport har främst varit att fastställa huruvida additiva tillverkningsmetoder för direkttillverkning i metall används/kan användas inom industrin vid batchproduktion och vilka faktorer som i sådana fall påverkar i vilken grad detta sker. Detta innebär att en stor del av syftet för vår rapport har varit att identifiera och analysera de styrkor och svagheter som additiva tillverkningsmetoder för metall har utifrån flera olika perspektiv, främst av teknisk, men även av ekonomisk, miljömässig och kunskapsbaserad art. Den huvudsakliga frågeställningen som vi därför har försökt att bevara är: Är additiva tillverkningsmetoder en praktiskt användbar teknik vid batchproduktion med metall som bas vid direkttillverkning? För att besvara denna huvudfråga valde vi att ställa upp ett andra underfrågor: Vid vilka tillfällen? För vilka tillverkningsmetoder? För vilka material? Finns det en tillräcklig kunskap för att utnyttja tekniken? 7

1.3 Metod Vi insåg tidigt i arbetet att djupförståelse för tekniken var nödvändig. Tekniken har en rad av metoder som skiljer sig åt så pass mycket att en avgränsning är lämplig. Valet av vilken additiv tillverkningsmetod var avgörande eftersom vi valt att fokusera på metall. Många metoder är inte avsedda för metall eller till och med tekniskt omöjliga att tillverka metallprodukter med. Tillverkning i metall med additiv teknik är en metod som är både dyr och än så länge relativt ovanlig, och matchade dessutom inte det upplägg vi valde så därför valde vi att inte göra några helt egna fallstudier hos företag med additiv tillverkning i metall. Vi valde istället att fokusera arbetet som en litteraturstudie med intervjuer för att kunna analysera praktiken utifrån forskningen, systemtillverkarna och tillverkningsindustrin. Senare i arbetet kom den djupa förståelsen för tekniken att visa sig vara än viktigare än vad vi trodde från början. Efter vi kommit i kontakt med experter inom området insåg vi att området med avseende på begrepp och metoder var mer komplicerat än vad vi från början trott. Det var övergripande begreppsförvirring på området som till och med experterna själva höll med om, ämnet saknar bitvis standarder. Med stöd från experterna lyckades vi göra en avgränsning på en grupp av metoder, Powder Bed Fusion (PBF), som kan anses var mest lämpad för tillverkning i metall. Intresset för att hitta företag som använder additiv tillverkning i metall för produktion har varit stort. Dock insåg vi efter stor ansträngning att det inte skulle gå att komma i kontakt med dem, det var alldeles för stor avsaknad på metoderna med metall som bas, speciellt i Sverige. Vi valde istället att fokusera mer på vad bristen av tekniken i allmänhet berodde på, vilket också visade sig svårare än vad vi först trott, då många företag avstod från att vilja samarbeta och genomföra intervjuer eller studiebesök. Detta fick oss att bli ännu mer intresserade trots att det naturligt kändes som en stor motgång att inte få användarnas perspektiv. Vi fortsatte att bygga förståelse för ämnet med hjälp av vetenskapliga artiklar och experterna på området och det tillhörande standardarbetet om additiv tillverkning. 1.4 Rapportutformning Rapportens inledande kapitel (se kap 2) är medvetet generellt beskrivande och utformat med hjälp av mer översiktliga teorier för att ge läseraren en mera lättsmält inledning, och viss förståelse för AMs olika processer. Sedan kommer en djupare beskrivning av de mer intressanta metoderna med avseende på vårt syfte (se kap 3). Vi valde sedan att redogöra för förutsättningarna för AM (se kap 4) med de aspekter som vi anser är mest intressanta med metall som bas vid direkttillverkning, här tas både fördelar och nackdelar med AM upp. Dessa aspekter är de som är intressanta att förstå och optimera med avseende på utvecklingen av AM enligt vår uppfattning. Även om de viktigaste aspekterna skulle utvecklas så kommer inte AM alltid att vara en lämplig metod och inte att kunna ersätta konventionella metoder för tillverkning. Därför redogör vi för det enligt oss mest intressanta områdena för en större utbredning och implementering av AM inom en snar framtid (se kap 6). Rapportens innehåll bygger förutom litteraturstudier på fem olika intervjuer med fyra olika personer, intervjuerna har varit semistrukturerade för att försöka få opåverkade åsikter från de intervjuade: 1. Klas Boivie, Expert som har doktorerat på området och för närvarande är anställd vid det norska forskningsinstitutet SINTEF. Sitter som ordförande i den svenska ISO-arbetsgrupper som jobbar med terminologin på området (se kap 4.2). 2. Johan Wahren. Anställd projektledare på SIS. Sitter med i tre av de fyra arbetsgrupperna som rör standardiseringen av AM, och är sekreterare i den som rör terminologi (se kap 4.2). Vi genomförde en uppföljande intervju med Wahren för att förtydliga vissa områden. 8

3. Isak Elfström. Vice president R&D på Arcam. 4. Zeljko Petrovic. arbetar med AM på Scania inom Mekaniska Verkstaden, sitter med i den svenska ISO-arbetsgrupp som rör terminologi. Utöver de direkta intervjutillfällena har vi också haft epostkontakt med vissa av de intervjuade personerna för att förtydliga eller få hjälp med funderingar under arbetets gång. 1.4 Avgränsningar Vi har under arbetes gång tvingats att genomföra ett flertal avgränsningar, dels för att inte fastna i frågor om tekniska detaljer och dels för att inte behandla frågor där vi saknar den kunskap som behövs för att tillgodogöra oss den tekniska information som behövs, men framförallt för att hålla rapportens omfång någorlunda inom de i förväg givna ramarna. Det vi har valt att fokusera på är klassisk tillverkande industri. Detta leder bland annat till att vi till stora delar valt att bortse ifrån den medicinska industri som tillverkar ortopedi- och dentalproteser med hjälp av metall, en metod som redan idag används i kommersiell skala. Denna bransch valdes bort på grund av de stora egenheter och skillnader som branschen uppvisar jämfört med den typ av mer klassisk tillverkningsindustri som vi har försökt att titta på i denna rapport. Vi har dessutom valt att fokusera mer på tillverkningsmetoder i metall som basers på Powder Bed Fusion-teknologin, PBF. Vi har valt att ta upp andra metoder också, t.ex. ink-jet, men fokus har inte hamnat här då dessa tekniker dels inte alls verkat vara lika vanligt förekommande som alternativ till konventionella tillverkningsmetoder som teknikerna inom PBF kan anses vara. I första hand rör vår rapport Sverige men många av de texter som förekommer i rapporten kan till stor del anses ha tillämpningar både i Europa och mer globalt. 2 Additiv tillverkning 2.1 Historik Det finns många sätt att observera den historiska utvecklingen av AM på, vi kommer utgå ifrån ett perspektiv med fokus på den kommersiella historiken. Additiv tillverknings ursprung eller grundare är svåra att säkerhetsställa. Det fanns aktivitet som var liknande med det vi definierar som AM idag under åren 1950-1960 och även tidigare i vissas ögon, detta är lite av en definitionsfråga. Det var dock inte förrän den teknologi som behövdes ifrån till exempel datorerna, faktiskt kom ikapp det som ville göras med AM som utvecklingen verkligen tog fart under 1980-talet. Ett antal patent blev parallellt utfärdade år 1984 bland annat i Japan, Frankrike och USA, där alla patenten beskrev en likartad tillverkningsmetod med 3D-objekt som selektivt skulle tillverkas genom att addera material lager för lager. (Gibson et al. 2010, s.34-35) Under året 1986 påvisade Charles Hull att hans metod kunde bli verklighet och patenterade metoden stereolitografi och grundade det första kommersiella företaget 3D Systems med teknik inom additiv tillverkning. Under den här tiden fanns inga billiga lösningar för att ta fram konceptmodeller utan det tog månader och var kostnadsintensivt. Trots att de som konstruerade och utvecklade produkterna använde datorhjälp fanns inget system för att hantera den elektroniska överföringen mellan utvecklingen av produkten och den faktiska tillverkningen. Det var här för att råda bot på handskakningen mellan CAD-programmet och tillverkningssystemet som Charles Hull med 3D System utvecklade STL-formatet som används än idag. (3dsystems 2013) 9

År 1986 patenterade också DTM sin metod med Selective Laser Sintering (SLS) processen som fortfarande finns kvar som ett kommersiellt företag än idag. År 1989 tog Scott Crump patent för Fused Deposition Modeling (FDM) processen och grundade företaget Stratasys. Samma år patenterade en grupp från MIT 3D printing som process. MIT valde att inte grunda något företag utan de licenserade sin 3DP-teknologi till ett antal andra företag. Det kändaste i dagens läge är Zcorp som huvudsakligen fokuserar på att utveckla lågkostnadstekniker så som Ink-jet. (Gibson et al. 2010, s.34-35) Under året 1993 lämnades en ansökan in för ett patent på en metod som skulle smälta elektriskt ledande pulver, lager för lager, med en elektronstråle, för att tillverka tre-dimensionella kroppar. Utvecklingsarbetet gjordes i samarbete med Chalmers tekniska högskola. Året 1997 grundades Arcam AB för att fortsätta utveckla och börja marknadsföra sitt tidigare patent. År 2002 lanserade de sin första modell redo för produktion och några år senare kom Arcam att bli allmänt kända, speciellt inom ortopedin där de börjat tillverka bland annat höftimplantat. (Arcam 2013) 2.2 Generaliserad Additiv tillverkning med processkedja All produktframtagning som involverar additiv tillverkning kräver att operatören hanterar några generella arbetsmoment. Gibson delar in produktframtagningen för en produkt tillverkad med AM i åtta generella steg (Gibson et al. 2010, s.41): 1. Produktutveckling och CAD 2. Konvertering till standardformat 3. Manipulering och överföring av standardfilen till AM-maskinen 4. Maskinkonfigurering 5. Uppbyggnad 6. Produkten avlägsnas 7. Efterbehandling 8. Användbar produkt Det finns variationer i processtegen beroende på metod och teknik som används och viss variation på grund av utformningen av produkten. Några steg kan komma att vara mer invecklade för en metod, medan de är triviala för andra metoder. Nedanstående beskrivning av stegen i en generaliserad processkedja av AM är inspirerat av (Gibson et al. 2010, s.42-46). Steg 1: Produktutveckling och CAD Första steget för all produktutveckling är att bestämma sig för utseendet och tillhörande funktion för produkten. Eftersom additiv tillverkning ska användas är det en förutsättning att modellen för produkten beskrivs i en digital (CAD) modell. Vänder man på det skulle inte additiv tillverkning existera om inte 3D-modellering var möjlig. Det var efter att vi lärt oss att skapa solida modeller med hjälp av en dator som vi kunde utveckla teknologier för att återskapa dessa. Generellt måste en additiv tillverkningsprocess börja med att en modell skapas i ett 3D CAD program. De flesta CAD-program skapar en solidmodell men i ett tidigare stadie hade man stora problem här då programmen hade problem att skapa helt enhetligt solida modeller. Det kunde sedan ledde till helt oförutsägbara resultat när AM-maskinen återskapar modellen. Detta är dock något som i dagens läge sällan skapar problem då utvecklingen har lett till att man säkerhetsställer och kontrollerar eventuella diskontinuiteter för att mjukvarumässigt rätta till dessa. 10

Ofta används FEM-analys (Finita Elementmetoden) när man utformar ett föremål för additiv tillverkning för att undersöka var i materialet som det finns höga spänningar och tillföra material till dessa områden och vice versa (Vayre et al. 2012). Detta gör att man kan formge produkter som är optimerade efter funktion och vikt. För mer om fokus på design för AM, se kapitel 5.1. Steg 2: Konvertering till Standardformat Nästan all additiv tillverkningsteknologi använder STL-format. Förkortningen kommer från stereolitografi som egentligen är en patenterad metod. STL-filer är kommersiellt ett enkelt sett att beskriva CAD modeller med avseende på dess geometri. Konverteringen avlägsnar modellhistorian och tillhörande data och approximerar modellens yta med ett triangulärt mönster. Storleken på de enskilda trianglarna går oftast att anpassa för att de inte ska vara större än AM-maskinens upplösning. Själva konverteringen till STL-formatet är för de flesta CAD-system automatisk och en process där man har utvecklat program som är utformade för att upptäcka fel och rätta till dessa. Här är det vanligt att icke solida modeller upptäcks. AMF (Additive Manufacturing File) är ett nytt standardformat som är specificerat i de amerikanska standarderna, utfärdade av ASTM. Formatet är ett alternativ till STL-formatet som har använts för att överföra 3D modellers data till AM-system sedan 1987. AMF är baserat på XML som är ett öppet standardmärkspråk och till skillnad från STL hanterar AMF-formatets enheter, färger, textur, kurvformade trianglar, gitterstruktur, varierande sammansättning och struktur. En AMF-fil är dessutom hälften så stor som en komprimerad STL-fil. (Wohlers et al. 2012, s.258) Steg 3: Manipulering och överföring av standardfilen till AM-maskinen Med en färdig STL-fil vore det idealiskt att bara kunna starta maskinen och skapa sin produkt. Normalt krävs det dock en rad operationer innan så är fallet. Vanligen har AM-maskinen ett preprocess-program som ger användaren möjlighet att anpassa modellens position och orientering för att effektivisera uppbyggnadsfasen. Det är ofta förekommande att man tillverkar många modeller samtidigt, antigen en kopia av samma modell, eller helt unika modeller. Dock krävs det oftast en STLfil för varje modell även om det är en kopia. I vissa fall, exempel om modellen är för stor kan man genom en segmenteringsfunktion manipulera STL-filen, detta kan även utnyttjas för att lägga ihop STL-filer och skapa sammansatta modeller. Steg 4: Maskinkonfigurering Alla AM-maskiner kommer kräva val av några parametrar - det kan vara material- eller kvalitetsrelaterade inställningar. Vissa maskiner är anpassade för exempel ett material och en enhetlig skikttjocklek vid uppbyggnaden, något som gör inställningarna mindre komplicerade, dock ändras vanligen alltid någon parameter då man oftast inte tillverkar samma typ av produkter och har olika krav på kvalitet och tillverkningshastighet. Det här steget kräver förståelse för processens helhet då maskinen fortfarande kan skapa en produkt även om den har felaktiga eller olämpliga parametrar, något som skulle kunna medföra oönskade egenskaper. 11

Steg 5: Uppbyggnad Uppbyggnadsfasen är till skillnad från föregående steg helt datorstyrd och automatiserad, och kräver normalt sett inte några manuella justeringar under processen. Här bygger AM-maskinen upp modellen genom att lager för lager addera material. Här är metoden väldigt avgörande med avseende på hur procesen går till. Skikttjockleken kommer alltid vara en viktig parameter med avseende på produktens slutresultat. Normalt ligger den runt 0,1 millimeter, men den varierar med vilka produkter som skapas och vilken hastighet som vill uppnås. Processen upprepas genom att maskinen vanligen har en höjdreglerad plattform som succesivt sänks ned för att bygga ett nytt materiallager. Steg 6: Produkten avlägsnas Här kan produkten vara allt från klar för användning till en grov porös modell av produkten, beroende på vilken teknik som används. Generellt krävs dock alltid en viss (manuell) ytbearbetning för att uppnå ett önskvärt resultat. Beroende på produktens utformning kan det ha krävts stödmaterial som också har byggts upp med additiv tillverkning. Produkten kommer dock alltid behöva avlägsnas från maskinens byggplatta, det sker vanligen manuellt. Hur slutprodukten tas bort kommer påverka resultatet beroende på hur den avlägsnas, vilket bör beaktas i utformandet speciellt med avseende på stödstrukturen till produkten. Det kommer alltid behövas en rengöringsfas här, eller initialt inför, nästa produkt då det alltid blir materialspill. Rengöringen är väldigt metodberoende, när en laser används i kombination med ett materialpulver så är rengöringen väldigt viktig för att inte påverka den känsliga laserutrustningen, eller få ett sämre byggresultat på grund av gammalt materialpulver. Steg 7: Efterbehandling Efterbehandlingen är väldigt beroende av vilken teknik som används och vad produkten har för funktion. Ofta krävs en värmebehandling för att stärka de materiella egenskaperna. Vanligen används en metod som heter Het Isostatisk Pressning (HIP). HIP är en metod som använder en gas under högt tryck, ofta argon, till att förbättra ytan på produkter och minska eventuella porositeter i materialet, behandlingen sker vanligen under förhöjd temperatur. Kan även beroende på vilken teknik som använts krävas legering med andra material för att uppnå en högre densitet. Normalt krävs alltid en förfining av ytan med en bearbetande metod. Steg 8: Användbar produkt Produkten är nu färdig för användning. Det är lämpligt att tillägga att trots att produkten är tillverkad i liknande material som traditionella tillverkningsmetoder använder, kommer slutprodukten inte att kunna garantera samma materialstandard. Det krävs övervakning vid tillverkningsprocessen för att kunna garantera att inte luftinneslutningar, otillräcklig smältning eller inbyggda spänningar finns samt att materialkristallerna är optimalt placerade i förhållande till varandra för att kunna garantera en specificerad hållfasthet, se kapitel 4.6. 3 Tillverkningsmetoder Det finns fyra ledande företag i Europa för laserbaserade system för direkttillverkning: EOS GmbH (Tyskland), MTT Technologies Ltd (England), Concept Laser GmbH (Tyskland), och Phenix System (Frankrike) (Gibson et al. 2010, s.123). Företaget Arcam har en unik metod med elektronstråleteknik, därmed har de en egen nisch inom AM-området, men den är minst lika intressant för utvecklingen av tillverkande tekniker med metall som bas. Namnen på metoderna som företagen använder varierar och 12

är ofta varumärkesskyddade. Europa har i dagens läge inga framtagna standarder med avseende på termer och processer inom additiv tillverkning utan detta är ett projekt som är under arbete. Däremot har ASTM i USA tagit fram amerikanska standardnamn för de vanligaste AM-metoderna, vilka vi kommer utgå ifrån i denna rapport (se kapitel 4.2). Vi kommer vidare bara att behandla de metoder som är mest intressanta för tillverkning av metallprodukter men bland dessa även kort nämna några av dem mindre intressanta metoderna. De mest intressanta utifrån vårt syfte och utifrån de amerikanska standarderna är (Wohlers et al. 2012, s.68): Powder Bed Fusion - Additiv tillverkningsprocess som använder energi i form av värme för att smälta utvalda delar av en pulverbädd lager för lager. Den tillförda energin alstras av en laserstråle eller en elektronstråle. Hit hör lasersintring, Selective Laser Sintering, Selective Laser Melting, Direct Metal Laser Sintering och Electron Beam Melting. (Wohlers et al. 2012, s.73) Material Jetting - Additiv tillverkningsprocess som använder droppar av byggmaterial som selektivt droppas ut föra bygga upp en modell. Vi kommer beskriva metoden kort i kapitel 3.4 då den kan komma att bli intressant för AM utvecklingen inom en snar framtid. Dock har den i dagens läge vissa tekniska begränsningar som gör den mindre intressant med vårt syfte. Dem sista två metoderna som är standardiserade i USA kommer vi inte att behandla vidare i rapporten, då vi inte anser att de är mest lämpade med vårt syfte, vi avgränsar oss alltså och har valt att här enbart nämna metoderna: Binder Jetting - Additiv tillverkningsprocess som använder flytande bindemedel för att binda materialpulver i en pulverbädd till önskad form. Direct Energy Deposition - Additiv tillverkningsprocess som använder fokuserad värmeenergi, oftast från en laser för att smälta materialet samtidigt som materialet läggs på plats. Sammantaget kommer vi i vår rapport att lägga nästan all vikt på Powder Bed Fusion (PBF) med lasersintring, lasersmältning och elektronstrålemetoden. Detta dels för att det är dem mest populära metoderna för att framställa produkter med metall som bas och dels för att det flesta vetenskapliga artiklarna syftar till de här teknikerna. De metoder som bygger på den här tekniken har alla några gemensamma moment. De har alltid en eller flera värmekällor för att få fusion mellan pulverpartiklarna, en tekniklösning för att kontrollera smältprocessen och dess bearbetning lager för lager, oftast en laser, samt ett system för att bereda pulverbädden när ett nytt lager är redo att behandlas. Tekniken bygger på att behandla en pulverbädd av pulveriserat material med hjälp av energitillförsel oftast en laser, för att sedan manipulera dess materialstruktur med olika metoder för att få ett solidmaterial med en önskad form (se figur 1 för ett exempel på en PBF-maskin). Grundmetoden att använda en pulverbädd som bearbetas lager för lager med en extern värmkälla var även av de första kommersiella additiva tillverkningsmetoderna. (Gibson et al. 2010, s.103) 13

Figur 1. Schematisk bild för PBF-metoder(Zhou et al. 2012), i det här exemplet är systemet gjort för lasersintring: pulverpartiklarna levereras till pulverbädden för sammansättning med hjälp av lasern för att forma en produkt lager för lager. Både polymer- och metallmaterial kan användas med PBF-processer. För polymerer kan det material som inte smälts användas som support för att ge stöd för själva modellen, vilket leder till att några ytterligare stöd för modellen sällan behövs. Däremot när metallprodukter ska tillverkas behövs generellt ett externt stöd för att fixera produkten mot bottenplattan. Den stora skillnaden mellan metoderna beroende på materialvalet beror på att metall som bas kräver en mycket högre smälttemperatur. Om extrafixturer inte används kan den höga temperaturen leda till vridningar och spänningar i slutprodukten. (Wohlers et al. 2012, s.73-74) Generellt ger laserbaserade system en bättre ytfinish i jämförelse med system som använder en elektronstråle. Elektronstrålesystemet är dock generellt snabbare, men dyrare än lasersystemen (Boivie 2013) man får också lägre materialspänningar med en elektronstråle, vilket kan göra att stöd för produkten under processen inte behövs i samma utsträckning. (Wohlers et al. 2012, s.73-74) Powder Bed Fusion-maskiner är mycket dyra jämfört med de flesta maskiner för andra AM-metoder, speciellt maskinerna som är anpassade för tillverkning av metallprodukter. Dagens marknadspriser varierar med storlek och tillverkare vanligen från några 100,000 dollar upp till någon miljon dollar. (Wohlers et al. 2012, s.73-74) 3.1 Lasersintring Läsaren bör börja med att notera att på grund av avsaknad av standardtermer, finns det inget i standard fastställt svenskt samlingsnamn för lasersintringsmetoderna. Därför har vi valt att generellt kalla metoderna som grundar sig på sintring med laser för lasersintring. De flesta vetenskapliga artiklar och den tillhörande forskningen utgår ifrån det amerikanska begreppet Selective Laser Sintring (SLS) därför kommer den här delen till stora delar vara baserat på det. En av de vanligaste och tidigaste metoderna tillhörande gruppen för Powder Bed Fusion (PBF) är SLS. Metoden var först och främst utvecklad för att snabbt kunna ta fram prototyper i plast genom att använda punktvis laserscanningsteknik. Utvecklingen tog snabbt fart och metoden spred sig över hela världen, bland annat blev den populär för att den hade fått ett brett användningsområde då den kunde användas för metaller, kompositer och keramer. 14

Uppbyggnadsprocessen följer lager-på-lagerprincipen i en sluten kammare fylld av en skyddsgas, ofta kväve, för att minimera oxidationen av materialpulvret. Pulverbädden är uppvärmd precis under materialets smälttemperatur både med värmekällor över pulverbädden och genom att förvärma pulvret i pulverbehållaren. Det är av stort intresse att hålla den här temperaturen så nära detta optimala värde som möjligt, för att minimera effektkravet på lasern så att det krävs mindre energi för sammansättningen av materialpulvrets partiklar med lasern (Gibson et al. 2010, s.103). Temperaturen måste alltså vara tillräckligt låg för att inte smälta materialet, det vill säga temperaturen måste hållas under materialets smältpunkt. Det är samtidigt av intresse att ha temperaturen så hög som möjligt då processen är diffusionsbaserad, eftersom partiklarna sammanfogas snabbare med ökad temperatur. Därför måste man ta hänsyn till båda dessa faktorer för att hitta den optimala temperaturen. Sammanfogningen kan ske både mellan partiklar och inom partiklar, så porösiteten minskar. Enkelt sett så kommer den drivande kraften för sintring från minskningen av ytenergin, då sintring alltid ger en ytminskning, när partiklar sammanfogas med hjälp av värme. För att uppnå så låg porositet som möjligt måste därmed sintringen pågå under lång tid eller med hög temperatur (Gibson et al. 2010, s.105). Laserstrålen riktas sedan direkt mot pulverbädden och flyttas genom att använda en galvanometer (speglar monterade på motorer för att kunna ändra vinkeln), den alstrade värmen används för att skära igenom materialet och på så sätt skapa den önskade formen. Omkringliggande obundet pulver utnyttjas som support för efterkommande lager under hela processen. Byggplattformen sänks och ett nytt lager sprids ut ofta med en skikttjocklek runt 0,1 millimeter. (Gibson et al. 2010, s.104) Efter att modellen är färdiguppbyggd måste en långsam nedkylning ske för att uppnå en tillräckligt låg modelltemperatur, dels för att modellen ska kunna hanteras men också för att ens kunna utsättas för omgivningens tryck och temperatur, då den annars riskerar att vrida sig på grund av ojämn värmeutbredning som leder till sammandragningar i materialet. Materialet kan också riskera att brytas ned vid kontakt med syre vid för snabba värmeväxlingar. Detta är en process som är väldigt tidskrävande. Vid sintring är maskinens uppvärmnings- och nedkylningstid viktiga steg under uppbyggnaden. Det är moment som inte använder systemet för tillverkning och därmed är det önskvärt att minimera dessa. Det leder också till att större produkter inte tar proportionellt längre tid att tillverka jämförelse med mindre produkter. Ofta är det därmed mer fördelaktigt att tillverka relativt stora produkter eller flera samtidigt (Gibson et al. 2010, s.328). Det är naturligt att dessa faser är intressanta för tillverkarna att optimera och vissa maskiner har system för att kunna effektivisera detta. Det är vanligt att man har utbytbara kammare till maskinen som kan tas ur maskinen och förvärmas innan de kommer in i maskinen och svalna utanför maskinen vilket gör maskinen mer produktionseffektiv (Boivie 2013). 3.2 Lasersmältning Läsaren bör börja med att notera att på grund av avsaknad på standardtermer finns det inget svenskt samlingsnamn för smältande lasermetoder. Därför vi har valt att generellt kalla metoderna som grundar sig på smältning med laser för lasersmältning. De flesta vetenskapliga artiklar och den tillhörande forskningen utgår ifrån det amerikanska begreppet Selective Laser Melting (SLM) därför kommer stora delar av det här avsnittet vara baserat på det. När standardmetallpulver används för fullständig lasersmältning möjliggörs tillverkning av slutprodukter med en täthet på nära 100 %. Det är något som medför att produkterna får mekaniska 15

egenskaper som matchar och i många fall slår de konventionella tillverkningsmetoderna. (Schleifenbaum et al. 2010) I dagens läge använder de flesta laserbaserade maskiner en fiberlaser för att smälta materialpulvret istället för en gaslaser (CO 2 -laser). Det var en viktig utveckling för lasersystemen och en förutsättning i utvecklingen för att smälta metallpulver, då fiberlasern absorberas mycket bättre av metallpulvret. Innan fiberlasern kom i bruk var det populärt att använda en fastämneslaser (Nd:YAG laser), i lasersystemen. Den stora fördelen med fiberlasern är att den har högre verkningsgrad än både fastämneslasern och gaslasern, tack vare att konstruktionen genererar mindre värme. Fiberlasern har också en jämnare kvalitet på själva laserstrålen som ger bättre precision. Generellt är fiberlasersystemen både billigare att köpa och underhålla vilket också är en stor fördel. (Gibson et al. 2010, s.124) Efter själva lasern är det optiken som möjliggör för laserns scanningsförmåga det vill säga förmåga att röra sig över materialbädden det viktigaste i ett lasersmältsystem. Lasern kan typiskt röra sig med en hastighet på 15 m/s vilket ställer mycket höga krav på spegeln som används för att rikta laserstrålen. Den måste kunna röra sig mycket snabbt men även vara noggrann och pålitlig. Innan lasern träffar pulverbädden är de önskvärt att strålen är rund och har en strålhastighet som är proportionell mot vinkelhastigheten av spegeln för riktningen av strålen. Detta görs med en lins efter speglingen av strålen som oftast har ett antireflektionsskydd för att skydda systemet mot eventuella laserreflektioner som annars kan skada systemet. Linserna som vanligen används idag begränsas till viss del av deras konstruktion, då det förekommer störningar av strålen, vilket medför att linsen ändrar temperatur vid en effekt runt 300 Watt och på så sätt blir den laserintensitet man kan använda begränsad. För att motverka detta har ett nytt system utvecklats som tillåter fokallängden av linsen att varieras vilket ger stöd för lasrar med effekter upptill 1000 Watt utan några påvisade negativa effekter. Den senaste tekniken för utvecklingen av lasersystemet med avseende på optiken har ett nytt system, utvecklat för att slippa överlappa lasersmältan i samma utsträckning som vanligen behövs för att uppnå en fullständig smältning av materialet. Den nya tekniken har medfört en jämnare laserintensitet i hela laserpunkten, något som länge har varit ett problem, då laserintensitet annars avtar med avståndet från lasercentrum. Med den senaste tekniken fås alltså en nära likställd intensitet över hela profilen. Sammanfattningsvis så finns teknik för att skapa mer optimerade system men det är tidskrävande att kombinera system för att få dem att samverka optimalt. (Mtadditiv 2013) 3.3 Electron Beam Melting Electron Beam Melting (EBM) är en företagsunik tillverkningsmetod och därför kommer detta avsnitt till stora delar vara baserat på information från en intervju med utvecklingschefen på Arcam (Elfström 2013), om inte annat anges. Arcam AB (Sverige) tillverkar ett AM-system som kallas EBM, systemet använder en elektronstråle genrerad av elektromagnetiska spolar som ger en väldigt hög noggrannhet och hastighet på elektronstrålen (Arcam 2013). Maskinerna klarar genom ett specialutvecklat system för styrningen av elektronstrålen att hålla igång flera smältpölar samtidigt i materialpulvret under smältprocessen. Under smältprocessen adderas helium för få en ren och gynnsam atmosfär i systemet. Detta är viktigt för att behålla de kemiska specifikationerna av det använda materialet. Uppbyggnadsprocessen sker i kontrollerat vakuum som ger ett grundtryck på 1 10-5 millibar eller bättre under hela byggprocessen. Uppbyggnaden sker lager för lager där elektronstrålen alltid förvärmer varje lager av pulverbädden till 16

en för materialet specifik omgivningstemperatur. Detta skapar en produkt som är fri från restspänningar och en struktur som är fri från martensit, slutprodukten har en densitet nära 100 %. EBM-systemet har generellt många gånger större effekt än de laserbaserade system som finns för metalltillverkning. Till stor del beroende på att de använder elektroner som har högre verkningsgrad och på så sätt kan mer energi användas i jämförelse med lasern som skickar ut fotoner (Elfström 2013). Arcam har medvetet nischat sig och riktar in sig främst på tillverkning av titanprodukter. Deras maskiner har funnits på marknaden sedan år 2007. Titan är ett frekvent använt material inom bland annat flygindustrin som är en av de mer intressanta marknaderna för Arcam. Företaget har ganska jämn fördelning av försäljningen av sina system till flygbranschen, ortopedi och akademi. Kunderna är oftast intresserade av kostnaden för att tillverka en enstaka detalj och benchmarkar ofta Arcams metod mot traditionell tillverkning. En stor skillnad som uppstår då man bearbetar med traditionella bearbetningsmetoder jämfört med additiva metoder är generellt att ju mer som tas bort från ämnet desto dyrare blir slutprodukten. Detta gäller alltså inte för additiva metoder där det istället blir billigare och går snabbare ju mindre material slutprodukten innehåller. Därför finns det produkter som är ekonomiskt försvarbara att tillverka med additiv tillverkning utan att någon unik funktion tillförs. Arcam har i dagens läge inga planer på att bredda sig och börja anpassa sin tillverkningsmetod till flera material. Tekniskt sett fungerar deras metod för många fler material. Trots potential för många material har Arcam strategiskt valt att hålla sig till titan, vilket 95 % av deras kunder använder (Elfström 2013). En stor anledning till strategin har att göra med förädlingsvärdet, vilket för exempelvis aluminium är relativt litet och priset för en slutprodukt är generellt lågt. Tittar man istället på titan så har det ett väldigt högt förädlingsvärde och är dessutom ett material konventionella metoder har svårt att hantera bland annat beroende på att det är relativt svårbearbetat och svårgjutet. Kilopriset för rent titan är cirka 295 dollar och för legeringen Ti-6Al-4V som är en av de vanligaste titanlegeringarna för additiv tillverkning cirka 260 dollar per kilo. I jämförelse kostar aluminium några dollar per kilo (Wohlers et al 2012, sid 83). Generellt generar EBM-metoden en sämre ytfinish men en snabbare tillverkning än de laserbaserade systemen. Den sämre ytan beror dock inte på någon teknisk begränsning, utan den är snarare en bieffekt för att man vill ha upp tillverkningshastigheten och på så sätt måste använda större effekter och jobba med tjockare skikttjocklekar. Något som kompenseras för, på i princip all produkter som produceras med EBM-tekniken, med hjälp av lämpliga efterbehandlingar beroende på typ av produkt. Skillnaden mellan EBM och lasersystemen är att när det gäller lasersystem finns det många aktörer som konkurrerar inbördes. Konkurrensen för EBM-tekniken är väldigt liten och EBM skulle kunna konkurrera med lasersystemens segment av material, medan lasersystemen har svårt att konkurrera i EBM-teknikens segment (Elfström 2013). Detta dels på grund av den lägre effekt som lasersystemen arbetar med. Arcams främsta konkurrenter finns inte inom AM-branschen då de AM-metoder som är inriktade på metall som bas inte har samma fokus på vad deras maskiner skall göra som Arcam. Den främsta konkurrenten för EBM är därför olika konventionella gjutmetoder. (Elfström 2013) Arcam har en företagsstrategi som går ut på att skapa maskiner som främst skall användas inom tillverkning, i dagsläget främst inom ortopedi-, dental- och flygindustrin. Anledningen till detta är enkel, marknaden för prototypmaskiner är begränsad, det finns kanske möjlighet till 500 protypmaskiner när det går att sälja många tusen produktionsmaskiner bara inom flygindustrin (Elfström 2013). 17

För att få ett perspektiv på tidsåtgången måste man förstå att systemet är utformat så att varje lager av material i system ska bearbetas på samma tid oberoende av hur stor del av pulverbädden som ska smältas. Detta är en sanning med modifikation, men det är något som nästan stämmer i verkligheten. Detta kan jämföras med hur ett skrivarhuvud jobbar oberoende av mängden text på pappret ska pappret alltid matas ut ur en skrivare med samma hastighet. Så är skrivarhuvudet motsvarigheten till elektronstrålen i EBM-systemet. EBM-systemet är alltså utformat så att det tar lika lång tid att smälta fram en produkt ur pulverbädden som det tar att smälta fram maximalt antal produkter ur pulverbädden. Sammantaget stämmer det med vissa avvikelser i praktiken, men det viktiga är att förstå hur systemet arbetar. (Elfström 2013) Sammanfattningsvis är EBM-metoden med dagens teknik inte särskilt konkurrenskraftig på den konventionella verkstadsindustrins marknad. Detta är helt enkelt för att förädlingsvärdet vanligen är för lågt på den här marknaden och på så sätt är det inte generellt sett inte ekonomsikt försvarbart att använda EBM-metoden. 3.4 Ink-baserad direkttillverkning Ink-jet används till, och var primärt utvecklat för, att göra komplexa elektronikkretsar på plana ytor. Tekniken har dock idag utvecklats till många andra användningsområden. Metoden använder en flytande massa av det valda materialet som har fått facktermen ink. Den flytande massan appliceras genom ett munstycke som droppar ut massan med en metod kallad Material Jetting. En annan vanlig metod bygger på att man istället har en kontinuerligt flödande massa continuous filament writing. Kontinuerligt flöde har fördelen att det är en snabb metod då det skapar en kontinuerlig sträng av massan. Det ger bättre förutsättningar för massans reologi som därmed gör att metoden inte kräver samma kontroll av den flytande massan, främst med avseende på viskositeten. Droppmetoden kan anpassas för snabbare tillverkning genom att använda parallella munstycken. Metoden kommer dock skapa diskontinuerlig uppbyggnad då dropparna hela tiden överlappar varandra, vilket kräver en större kontroll av reologins egenskaper och kan anses vara en stor begränsande faktor för metodens utveckling i användningssyfte att tillverka produkter i metall. De hastiga accelerationer/retardationerna som uppkommer på munstycket vid tillverkning av skarpa kanter utgör ett fall då detta produktionstekniska problem blir mycket betydande (Vayre et al. 2012). Detta gör att man undviker konstruktioner som innehåller denna typ av geometri, vilket naturligtvis är begränsande ur ett designperspektiv. Efter att den flytande massan har applicerats kräver dessa metoder vanligtvis en extern värmekälla för att påskynda stelningsprocessen och uppnå ett önskvärt resultat. Generellt är metoden med ink den mest varierade och kan bland annat hantera ink med metallpulver, adhesiver, syntetiska polymerer och nanopartiklar. Metoden kännetecknas även som kommersiellt sett den billigaste. Det finns många anpassningar av metoden och det som generellt skiljer metoderna åt är: Munstyckets utformning, rörelsekontrollen av munstycket och pumpsystemet för att transportera massan till munstycket. Den ink-baserade teknologin har under de senaste åren utvecklats kraftigt. Tekniken har bland annat och kanske viktigast minskat sina kostnader ytterligare och förbättrat sin upplösning för noggrannheten. Tack vare att det är möjligt att generera mycket högre tryck i munstyckena så är det möjligt att printa flytande massor med högre viskositet i rumstemperatur. (Gibson et al 2010 sid. 24) Metodens svagheter i form av geometriska begränsningar och begränsningar i de tillverkade delarnas kvalitet samt den låga användningen av tekniken inom den tillverkande industrin har dock gjort att vi 18

främst har valt att lägga fokus på andra tekniker i denna rapport, det vill säga de tekniker som bygger på PBF-metoden. 4 Förutsättningar för användning i konventionell tillverkningsindustri 4.1 Jämförelse med den konventionella CNC-tillverkningen Materialåtervinning Båda metoderna kännetecknas av att de använder logiska styrfunktioner med hjälp av datorer för tillverkning. Det som främst skiljer metoderna är att CNC-tillverkning primärt avverkar (subtraherar) material medan additiv tillverkning bygger på (adderar) material. Detta skapar en stor fördel med avseende på materialspill för additiv tillverkning då det även finns möjlighet att återanvända det materialspill som faktiskt uppkommer direkt till skillnad från materialspillet från konventionell bearbetning. Detta kan göras då man oftast arbetar med en bädd av materialpulver som lager för lager smälts till den önskade formen. Wohlers & Caffrey (Deskeng 2013) menar att uppemot en tredjedel av det oanvända pulvret idag måste kasseras, och även om materialspillet relativt sett är litet, så är detta en viktig aspekt för utvecklingen av tekniken fortfarande under år 2013. Forskning kring detta, med användandet av laser för smältningen, finns, bland annat har Ti-6Al-4V-pulver undersökts där man studerade påverkan på kornstorlek, densitet, ytstruktur och mekaniska egenskaper vid återanvändning av metallpulver. Undersökningen påvisade att pulverkornen blir grövre och successivt ökar i storlek med ökat antal återanvändningar. Det framgick även att det finns negativa effekter som inte går att bortse ifrån med avseende på de mekaniska egenskaperna, som porositet, hårdhet vid återanvändning av detta metallpulver. Dock krävs vidare forskning för att förstå detta fullt ut. Författarna drog under undersökningen även slutsatsen att dessa resultat är korrelerade till andra, liknade metallpulver (Seyda et al. 2012). Tillverkningshastighet Tillverkningshastigheten är generellt snabbare vid avverkning än tillägg av material med dagens metoder. Jämför man dessa tekniker måste man se till processens helhet där en produkt med komplicerad geometri kräver mycket processplanering, och om en och samma maskin inte klarar alla moment tillkommer mycket ställtid, vilket också kan påverka slutproduktens kvalitet negativt om inte särskilda hållare tillverkas för att skapa ett gemensamt referenssystem. Det framgår att detta är ett omfattande arbete och kommer ge problem vid produkter som kräver unika geometrier eller snabbanpassad tillverkning. Detta är ett problem som inte drabbar additiv tillverkning där det utifrån en digitalritning är praktiskt möjligt att få fram en enstaka produkt på några timmar. Programmering Programmering är väldigt invecklat för CNC-tillverkning där bland annat verktygsväxling, bearbetningshastigheter och matningshastigheter måste anpassas. Detta är något som många företag har problem med och ofta leder till att man behöver tillkalla konsulthjälp för att lösa problemen. Additiv tillverkning kräver inställningar men i jämförelse inte alls i samma utsträckning vilket också minskar risken för felprogrammering och behovet av felsökning. Underhåll av systemen Additiva tillverkningsmaskiner är generellt väldigt dyra jämfört med de flesta verktygsmaskiner (Petrovic 2012). Tillhörande system framförallt lasern har en begränsad livstid och är en mycket 19

känslig utrustning. Generellt så tappar en laser effekt över tiden, något som måste övervakas (Petrovic 2013). Detta gör att det är av yttersta intresse att inte slita på maskinen i onödan. Utrustningen påverkas negativt av smuts, fukt, elektriska och mekaniska störningar och därmed bör miljön alltid anpassas väl för att undvika dessa. Tester för systemen finns ofta från tillverkaren trots att additiva tillverkningsmetoder generellt saknar standard. Testerna kan användas för att få en viss bekräftelse på att systemet fortfarande har en avsatt standard från tillverkarens normer. 4.2 Standardiseringsarbete kring additiva tillverkningsmetoder Ett område som också kan identifieras som ett tänkbart hinder för att använda AM inom serietillverkning för metall är bristen på standarder. I dagsläget finns ingen existerande ISO-standard på området även om arbete med detta pågår. Under 2011 satte man i Sverige därför igång ett standardiseringsarbete inom additiva tillverkningsmetoder som medlemmar inom ISO-arbetsgruppen ISO TC 261. I Sverige startades en nationell kommitté på området inom SIS (Standardiseringskommissionen i Sverige) som sitter med vid arbetet på området inom ISO för Sveriges räkning (Wahren 2013a). Sedan tidigare har arbete med standarder för AM påbörjats i Tyskland, Frankrike och i den amerikanska standardiseringsorganisationen American Society for Testing and Materials (ASTM). ASTM har gett ut en första omgång standarder (Wahren 2013a). Då den amerikanska standardiseringen påbörjades betydligt tidigare (runt år 2006), så har man nyligen valt att sluta ett samarbetsavtal mellan ISO och ASTM för att undvika att definitioner som redan finns definierade i ASTM skall motsägas av de definitioner som ISO kommer fram till (Wahren 2013a). ASTM släppte under maj 2012 de första fyra standarderna från sin internationella kommitté F42 för additiv tillverkning. De områden som blev standardiserade av denna grupp var (Wohlers et al. 2012, s.250): 1. Tester 2. Terminologi 3. Material (främst för Ti-6Al-4V, ett material vanligt inom implantatindustrin) 4. Datastrukturer (Främst för att trycka på AMF-formatet som alternativ till STL-formatet då det gäller additiv tillverkning) Inom ISO har man inom det grundläggande standardiseringsarbetet valt att jobba inom fyra olika arbetsgrupper, vilket skall leda till standardserien ISO 17296-1 till ISO 17296-4: 1. Terminologi 2. Testmetoder 3. Tillverkningsmetoder 4. Datastrukturer Av dessa så har utvecklingen kommit längst inom arbetet inom datastrukturer där kommittén har kunnat basera sina standarder på tidigare standarder. De andra tre arbetsområdena koordineras genom terminologigruppens arbete som måste ge insyn i deras arbete till de andra grupperna för att förhindra att de standarder som man får fram blir svåra, eller rent av omöjliga, att implementera i industrin. Då standarderna har en tidspress på sig för att bli klara, det vill säga tre år efter att ISO officiellt har startat 20

upp ett projekt (Wahren 2013a), innebär det att de andra arbetsgrupperna i dagsläget ligger i samma fas enligt den processram som finns för hur man utvecklar en ISO-standard. De som driver arbetet inom ISO:s standardiseringsprojekt är en ganska blandad grupp av intressenter. Medlemmar från universitet och forskningsinstitut är ungefär lika många som representanterna för maskintillverkarna och maskinanvändare. ISO har dock haft svårigheter med att hitta representanter bland användare då dessa oftast är svårast att få tag i och övertyga om nyttan med projektet. Exempelvis kan man ta upp att de medlemmar som finns representerade från den svenska sidans grupp för terminologi är personer från Arcam (maskintillverkare), SU (materialinstitutionen), Scania, Digital Metal AB för att nämna några (Wahren 2013a). Ett stort problem som dagens standardiseringsarbete står inför är att många av de namn på tekniker som används i branschen idag är varumärkesskyddade och får därför inte användas av vare sig ISO eller av SIS i deras benämningar på standarder. Exempelvis så är SLM ett registrerat varumärke precis som DSLS men skillnaderna mellan dessa bägge teknikerna i realiteten idag små. I ASTM som redan har släppt en standard går exempelvis SLS, SLM och EBM in under samma namn nämligen Powder Bed Fusion för att undvika att man använder varumärkesskyddade namn (Wohlers et al 2012 sid 73). Ett annat påtagligt problem med att standardarbetet inom ISO bara har hunnit pågått i något år är att det i dagsläget inte finns någon arbetsgrupp som arbetar på materialstandarder i dagsläget, något som både flyg- och fordonsindustrin behöver för att vilja använda tekniken inom produktionen i högre grad än idag. Detta är dock ett område som man redan har börjat undersöka som ett av flera tänkbara nästa steg inom ISO:s standardiseringsarbete när de standarder som man arbetar på i dagsläget är på plats (Wahren 2013b). När det gäller europeisk standard så har man hittills valt att inte göra den kommande ISO-standarden till CEN-standard (kallas ofta EU-standard) vilket man kunde göra via ett avtal som kallas Vienna agreement. En omröstning om att göra detta stoppades av Tyskland och Frankrike, troligen p.g.a. man ville skydda sin egen industri inom AM och då standardiseringsarbete i dessa länder har pågått en längre tid än inom ISO. Enligt Wahren (2013b) är det dock troligt att dessa länder ser nyttan med internationella standarder men att man vill att eventuella förändringar i standarder inte går för fort, så att man hinner med omställningar. CEN håller dock i dagsläget på med ett projekt som har som målsättning att samla ihop information om området för att utreda om man skall starta ett standardiseringsarbete (Wahren 2013b). En framtida CEN-standard på området ligger dock troligen ganska långt borta. Då Europastandarden blir bindande på ett helt annat sätt än en ISO-standard väljer man därför att gå försiktigt fram för att inte få en standard som är direkt hämmande för branschen (Wahren 2013b). Varför är då bristen på standardisering ett så stort hinder för att man skall börja använda AM i serieproduktion för metall? Johan Wahren på SIS som är sekreterare i den grupp som arbetar inom standardisering för terminologin på området uttryckte det på följande sätt: För att industrin skall våga ta steget från prototyptillverkning och enstycksproduktion så krävs det standarder. Som företagsexempel tog Johan upp Scania som han hävdade aldrig skulle tänka sig att göra motordelar annat än för prototypproduktion utan att det finns ordentliga standarder för AMtillverkning. Wohlers Report 2012, vilket är ett av AM-branschens mest tongivande organ, pekar också på bristen på standarder som ett stort problem för att få AM att betraktas som en pålitlig 21

teknologi. Större företag kan enligt Wahren dock utveckla egna företagsstandarder för AM, något som Wahren anser vara komplicerat i fallet AM (Wahren 2013a). Å andra sidan, hävdar Isak Elfström (Elfström 2013), som är Vice president for R&D på Arcam, att detta generellt sätt inte är ett problem för de större företag som köper maskiner av Arcam, då de ofta väljer att utveckla just företagsspecifika standarder. Läsaren bör här ha i åtanke att Arcams kunder är främst företag inom implantatindustrin och flygindustrin, två industrier som generellt sett har höga krav på standardiseringar och rutiner. Däremot ser även Elfström fördelarna med internationella standarder och önskar att de kommer på plats, speciellt för mindre företag och så kallade servicebyråer (Elfström 2013). 4.3 Tillverkningshastigheter Forskningen kring processernas effektivitet rörande PBF är än så länge ett område där det inte finns så mycket forskning. Därmed har teknikens tillverkningshastighet inte optimerats, men det finns några intressanta områden rörande tekniken som måste förstås för att inse att potential finns för att kunna förbättra teknikens tillverkningshastighet. Tillverkningen kan delas upp i två huvudprocesser under processen enligt följande (Schleifenbaum et al. 2010): Primärprocesstid Beredningsprocesstid Där den primära delen syftar till den tid det tar att smälta varje lager av produkten och beredningstiden är den tid det tar att ställa in en ny nivå på arbetsplattan och bereda den med nytt materialpulver. Man ser snabbt att dessa tider kommer variera beroende på produktens storlek och den primära tiden kommer vara speciellt intressant vid tillverkning av större produkter, då cirka 80 % av tidsåtgången kommer vara här. Tillverkas små delar så kommer det i proportion förbruka mer tid i beredningsprocessen än vid tillverkning av en produkt med stor volym. Pulverhanteringssystemen finns i många utföranden. Alla system för PBF måste dock uppfylla några generella funktioner. Däribland måste systemet ha en pulverbehållare som innehåller tillräckligt med pulver eller kan fyllas utan att behöva pausa maskinen. Pulvret måste spridas ut så att det bildar ett slätt och tunt skikt och systemet måste vara utformat så detta kan upprepas. Systemet bör heller inte påverka föregående behandlade pulverlager det vill säga systemet måste ha god precision. (Gibson et al. 2010, s.113-114) Det kan vara lockande med mindre kornstorlekar på pulvret då det ger en finare ytfinish och möjlighet för tunnare skikttjocklekar som i sin tur ger bättre noggrannhet. Detta är dock något som vid små kornstorlekar ger upphov till en rad praktiska problem. Bland annat ökar den inre friktionen mellan kornen och den elektrostatiska kraften när kornstorleken minskar. Det ger ett mycket oönskat beteende hos pulvret då det förlorar sin flytande förmåga det tenderar att bete sig och röra sig i klumpar istället för korn för korn. Mindre korn tenderar även att bli luftburna i själva AM-maskinen något som ger många följdproblem däribland deflektion av laser, smutsiga linser och skador rörliga delar i systemet. (Gibson et al. 2010, s.114) Ett tidsrelaterat problem i beredningsprocessen är att det i dagsläget inte är möjligt att anpassa pulverbäddens storlek (Boivie 2013). För att undvika detta vill man, eller snarare tvingas man att tillverka flera modeller samtidigt för att utnyttja hela byggkammarens volym. Vid små skikttjocklekar kan man styra den önskade kornstorleken bättre och får ett jämnare lager vilket leder till bättre kvalité. 22

Dock kan det i samband med optimering av tillverkningshastighet vara intressant med tjockare lagerskikt. Ett problem som uppkommer är att pulverkornens storlek kommer öka med tjockare skikttjocklekar, vilket påverkar slutresultatets kvalité negativt då ger större risk för ojämnheter, mikrokrympningar och att gasbubblor stängs in i materialet eller att smältningen för de större kornen blir mindre fullständig. (Abd-Elghany & Bourell 2012) Den primära processtiden är proportionell mot tiden det tar för energistrålen att gå över lagret av materialpulver vilket i sin tur är direktberoende av skikttjockleken av materialpullvret och energistrålens effekt. Det kan tyckas enkelt att bara öka effekten på energitillförseln, men så är inte fallet, då det kommer leda till att snabbare evaporation vilket sin tur gör att det kommer uppstå materialstänk, vilket är något som försämrar slutresultatet. Det går också att öka diametern på den tillförda energins stråle och på så sätt smälta mer yta dock är detta något som inte går att göra okontrollerat, då det kommer förändra smältpölen som har stor inverkan på slutproduktens kvalité (Schleifenbaum et al. 2010). Utvecklingen av lasermetoderna har också en växande trend med att öka effekten för att optimera hastigheten. Den senaste modellen från företaget SLM solutions (Tyskland), SLM 280 HL, som marknadsintroducerad under året 2011. Maskinen har ett nytt unikt system med att använda två fiberlaserar en 400W och en 1000W. I denna maskin används det första lasersystemet för att scanna av materialavgränsningarna för varje lager och det andra systemet för att smälta det inre materialet av varje lager. På så sätt uppnås en snabbare tillverkningshastighet utan att ytans kvalitet påverkas negativt och blir därigenom kvalitetsmässigt likvärdig med förgångarnas singellasersystem. Systemet hanterar de flesta metallpulver med rätt parametrar valda i mjukvaran. (Wohlers et al. 2012, s.113) Med dagens tekniklösningar och i avseende på tillverkningshastigheten, så är den mest intressanta faktorn effekten på energikällan. Generellt för PBF-metoder gäller att högre effekt på energikällan ger snabbare tillverkningshastighet. Det är svårt att jämföra tillverkningshastigheterna mellan olika metoder och tekniker, då de varierar med storleken hos en produkt, material och önskad kvalité. För att få lite perspektiv på möjligheterna kan man med en energieffekt på några hundra W få en bygghastighet runt 0.8-1.4 mm 3 /s i jämförelse med ett system som använder en energikälla i kilowattsklassen så kan tillverkningshastigheter på runt 8 mm 3 /s uppnås (Schleifenbaum et al. 2010). Dessa siffror är väldigt teoretiska och kommer som redan nämnts variera beroende på många faktorer, det är dock intressant att det är cirka 6-10 gånger så snabbt. 4.4 Material För användning av direkttillverkning i metall finns ett flertal olika tillgängliga material. Stål, aluminium, titan, kobolt-krom-legeringar, koppar och brons kan användas i olika AM-maskiner. Man kan med AM till och med tillverka mer exotiska metallegeringar t.ex. har ADIO, ett företag som ägs av General Electric, tillverkat titanalumin, en superlegering. Denna legering är extremt svår att gjuta, den har en sprickfrekvens på ca 80 % när den gjuts (Elfström 2013). När det gäller de tillverkade materialen så kännetecknas de, när de byggs med hjälp av PBF, av relativt små kornstorlekar och finare mikrostruktur än de flesta vanliga gjutmetoder (Buchbinder et al. 2011). Ett stort problem när det gäller AM-maskiners material är kostnaden. Maskintillverkarna föredrar att man använder de material som dessa tillhandahåller. I övrigt är dessa hänvisade till de materialstandarder som redan finns men som inte är anpassade till AM-tillverkning (Boivie 2013). Då det i dagsläget bara finns en fastslagen materialstandard på området (en ASTM-standard för Ti-6Al- 23

4V, titan med 6 % aluminium och 4 % vanadium (Wohlers et al 2012 sid 81)) vill inte maskinoberoende tillverkare, t.ex. Höganäs, börja tillverka material, något som hämmar konkurrensen (Boivie 2013). Från vissa håll får man höra att materialkostnaderna är höga för att maskintillverkarna skall kunna skapa profit, något som enligt Isak Elfstöm på Arcam inte stämmer för Arcam. Elfström hävdar att företagets vinster främst kommer från maskinförsäljning och att materialpulver främst är en service som företaget erbjuder sina kunder. Ett annat argument rörande de höga materialkostnaderna kommer från Wohlers Report (Wohlers et al. 2012, s.195) där det hävdas att de höga materialkostnaderna beror på de relativt små volymerna av specialpulver som tillverkas till dagens maskiner och att priserna kommer att sjunka framöver i takt med att produktionen ökar från dagens låga nivåer. Dock så pekar Wohlers (Wohlers et al. 2012, s.197) på branschens framtida svårigheter att gå ifrån att tillverka material för prototyptillverkning till att göra det för direkttillverkning i större skala. Man kan dock använda standardiserade material, det vill säga atomiserade metallpulver, ämnade för andra ändamål. Ett exempel på detta är ett experiment utfört av K. Abd-Elghany och D.L. Bourell som beskrivs i artikeln Property evaluation of 304L stainless steel fabricated by selective laser melting (Abd-Elghany & Bourell 2012). I denna artikel görs ett försöka att ersätta ett maskinanpassat rostfritt stål 304 som tillverkarna rekommenderar med ett rostfritt stål 304L från Höganäs. Kostnaden för materialen är ca 200 USD/kg respektive 10 USD/kg. Man testade att bygga provbitar av materialet med olika svephastigheter (70 och 90 mm/s) och olika skicktjocklekar (30,50 och 70 µm). Värt att notera är att de använde en AM-maskin med relativt liten effekt (95W). Dimensionerna på de provbitar som tillverkades blev en aning större än vad som var tänkt (20,2-20,6mm istället för 20,0 mm), men utan deformationer och värdena för ytjämnhet och för ytstruktur blir relativt stora, en ytfinhet på 20 µm nåddes i provmaterialet som tillverkades med den högsta hastigheten. Den sträckgräns som materialet med den lägsta tillverkningshastigheten uppnådde var ca 80 % av det värde som anges som materialspecifikation. När det sedan gällde provbitar tillverkad med högsta hastigheterna hade dessa dock tyvärr tendenser till sprött brott, något som för metall sällan är ett önskvärt beteende. Höga bygghastigheter ledde dessutom till att materialets densitet blev lägre än vid låga bygghastigheter. Läsaren bör dock notera att det maskinanpassade stålet 304 inte testades att byggas under experimentet, vilket kan göra det svårt att jämföra alla de framtagna värdena, speciellt för stora skikttjocklekar och höga svephastigheter på lasern. Ovanstående experiment visar att man med viss framgång kan ersätta material som rekommenderas av tillverkarna med ett material för allmänt bruk, speciellt om man använder lägre bygghastigheter. Frågan är dock om detta är önskvärt vid produktion av flera skäl, framförallt att kvaliteten inte garanteras, något som är viktigt inom tillverkande industri. När det gäller materialen och deras tillverkningshastigheter är det för ovanlighetens skull stål lättare att tillverka än aluminium, i alla fall i lasersystem. Detta beror på att aluminium har en högre reflektivitet och termisk ledningsförmåga än vad stål har (Buchbinder et al. 2011). Detta har även fått konsekvenser för företagens val av lasrar, Yb:YAG lasrar har en våglängd som är kortare än många andra laseralternativ, till exempel CO2 baserade lasrar då effekten som levereras av lasern absorberas i större grad av materialet (Zaeh & Ott 2011). En annan stor materialmöjlighet som följer med AM, i alla fall för PBF, är förmågan att skapa inre strukturer i materialet. Exempel på dessa är gitter-, skum-, nät och bikakestrukturer (Murr et al. 2011). Med inre strukturer menar vi inte strukturer som är isolerade inuti materialet då dessa inte skulle gå att 24

tömma överskottspulver, utan att materialet kan sägas bestå av enhetsceller utan 100 % densitet. Anledningen till att vi ändå har valt ordet inre strukturer är för att det ligger närmare det begrepp som används i engelskan internal structures än någon annan kandidat. För att exemplifiera vad vi menar har vi valt att lägga till nedanstående bild (se figur 2). Man kan även variera storleken på enhetcellerna och densiteten i strukturer även under arbetets gång. Dessa typer av mikrostrukturer är i dagsläget svåra, eller rent av omöjliga att tillverka med mer traditionella metoder så som mikrogjutning eller sintring. Man bör även tänka på att användande av dessa strukturer kan implementeras som en del av en tillverkad komponent och inte behöver tillverkas självständigt och därefter behöva montering. Dessa strukturer blir därför lätta men ändå förhållandevis starka. Figur 2. Detta är exempel på några av de olika inre strukturer (i detta fall gitterstrukturer) som kan tillverkas med hjälp av AM för metall. I detta speciella fall är de tillverkade med hjälp av en SLM-maskin (Yan et al. 2012). Man kan välja att anpassa dessa strukturer efter vilken E-modul som behövs vid olika tillfällen, så att man inom t.ex. flygindustrin får ett material med den önskade E-modulen och formen med så lite vikt på den tillverkade delen som möjligt. Den högsta E-modulen i förhållande till vikten uppnås emellertid alltid när densiteten är 100 % i materialet (Murr et al. 2011). Värt att tänka på i detta sammanhang är att en tunn plåt med 100 % densitet inte blir lika vridstyv som ett tjockare material med lägre densitet. Ytterligare en egenskap som fås ut av att använda inre strukturer med annan densitet är basmaterialet är att man får annorlunda akustiska och vibrationsmässiga egenskaper, vilket ibland kan vara den huvudsakliga anledningen till att man vill tillverka dessa strukturer (Boivie 2013). Dessa annorlunda akustiska egenskaper utnyttjas redan i dagsläget av företaget Ortofon, som är en tillverkare av nålmikrofoner för LP-skivor i premiumsegmentet som i samarbete med Danish Technological Institute har utvecklat ett nålhuvud som de tillverkar med hjälp av en SLM-maskin just p.g.a. materialets annorlunda akustiska egenskaper (Ortofon 2013). 4.5 Ekonomi När det gäller att göra kostnadsberäkningar för AM-produktion är den allmänna bilden att styckkostnaden för en tillverkad del är någorlunda konstant. Detta är dock inte riktigt sant, speciellt inte för små produkter i små serier. Man har via en studie på Loughborough University kommit fram 25

till att kostnaderna i sådana fall blir kraftigt oscillerande (Wohlers et al. 2012, s.185). Detta beror på att man när man fyllt kammaren optimalt med tillverkade delar så kommer man att behöva påbörja en ny omgång för att kunna tillverka ännu fler. Studien genomfördes på en SLS-maskin men resultatet bör enlig oss vara liknade för samtliga PBF-maskiner. Synen på vilka produkter som är ekonomiskt möjliga att framställa med AM skiljer sig även den ganska kraftigt gentemot mer traditionella metoder. AM gör det möjligt att tillverka saker i små serier, i vissa fall även vid produktion för enskilda komponenter (Holmström et al. 2010) förutsatt att AMprocessen tillför mycket värde till den tillverkade produkten. Denna ekonomiska lönsamhet gentemot traditionella tillverkningsmetoder minskar om serierna bli större för att till sist nå en punkt där de har samma kostnader, det vill säja break even. Ju mer komplicerade geometrier som de tillverkade komponenterna skall ha desto större serier kan tillverkas med fortsatt ekonomisk lönsamhet gentemot traditionella tillverkningsmetoder. (Boivie 2013) Ett exempel på en ekonomisk beräkning som följer detta mönster är en artikel som publicerades under namnet Economics of additive manufacturing for end-usable metal parts (Atzeni & Alessandro 2012). I denna artikel gör de en studie där de omkonstruerar en del till ett landningsställ för att optimera det för AM. Detta gjorde t.ex. att kostanden för montering kunde elimineras, då antalet delar kraftigt kunde minskas, och att delarna dessutom kunde viktoptimeras med hjälp av topologisk optimering, en metod för att utforma ett objekt efter vissa förutbestämda gränsvärden, i detta fall hållfasthetsmässiga. Man genomförde därefter ett räkneexempel där man jämförde kostnaden för denna metod gentemot traditionella metoder med gjutning, skärande bearbetning och montering. Det som man kom fram till var att kostnaden nådde break even vid 42 tillverkade delar, under 42 delar hade man billigare produktionskostnad för AM. För AM var den största kostnaden de investeringskostnader som fördelades på de tillverkade komponenterna medan för den traditionella tillverkningen var den största posten kostnader för gjutformarna. För att se formlerna som använts för detta specifika fall, se bifogad bilaga 1. Notera här att de formler som har använts tyder på att den relativa kostnaden blivit ganska konstant och inte tar hänsyn till den oscillation i kostnader som föreslås förekommer ovan. 4.6 Övervakning av processer och kvalitetssäkring De additiva tillverkningsprocesserna använder främst olika termiska processer. Därför är det nödvändigt att använda lämplig övervakningsteknik för att säkerhetsställa att processerna fullbordats med ett godkänt resultat. Det finns ett antal parametrar som kan vara nödvändiga att övervaka beroende på vilken produkt man tillverkar och till vilken industri. Till exempel har flygindustrin väldigt höga krav på att specificerad kvalitet återfinns i alla produkter och vill alltid ha dokumentation på det. Några av de parametrar man vanligen övervakar vid Lasersmältning är (Abd-Elghany & Bourell 2012): 1. Laserenergi 2. Svephastighet 3. Scanningsmönster 4. Överlappning mellan scannade områden 5. Skikttjocklek 6. Materialets beståndsdelar och kornens storlek 7. Tillverkningsprocessen för pulvret Vanligen sker övervakningen med värme- och IR-kameror under tillverkningen men kvalitén bör även fastställas med datortomografi. Detta är viktigt då man generellt vill hålla smältpoolen konstant för att 26

kunna uppnå ett bra resultat med god kvalitet med avseende på materialstrukturen. Med hjälp av värmekameror kan man utifrån värmepåverkan av området garantera att hela området har fått ett jämnt materiallager. Då det är möjligt att registrera skillnader i värmebilden om ett område skulle ha mindre materialpulver. Med hjälp av övervakning är det möjligt att registrera processer och avvikelser som sedan kan dokumenteras. (Krauss et al. 2012) 4.7 AM och miljöpåverkan En sidoeffekt av att införa AM är den miljöpåverkan som uppkommer jämfört med mer konventionella system. Den största synbara fördelen med att införa AM ur miljösynpunkt är minskningen av spillmaterial. Jämfört med vanliga tillverkningsmetoder som ofta bygger på stora mängder skärande bearbetning, i flygindustrin talar man ibland om fly-to-buy -kvoter på 1/15 vid användning av gjutning och skärande bearbetning (Arcam 2013). Denna kvot är kvoten mellan materialet som sitter i den färdiga produkten och råmaterialet som går åt för att tillverka den. Även inom den vanliga tillverkningsindustrin förväntas materialspill till följd av minskade mängder skärande bearbetning, med så mycket som 85 % (Murr et al. 2012). Mängden skärande bearbetning minskas drastiskt om man istället väljer att använda AM-metoder. En annan indirekt miljökonsekvens av att mängden skärande bearbetning reduceras är att man får en minskad åtgång av miljöovänliga/miljöfarliga skäroch kylvätskor. Dock så bör man tänka på att AM-maskinerna förbrukar mycket mer elektrisk energi än vid gjutning, upp till 100 gånger mer när man AM-producerar ett kg titan jämfört med om man gjuter det. (Wohlers et al. 2012, s.188). Man bör dock säga att man bör ta hänsyn till hela tillverkningskedjan med efterbearbetningar och transporter. I en studie utförda på Loughborough university och av Ecolyst på fem tillverkande företag inom flygindustrin kom man fram till att man kunde minska koldioxidavtrycket med upp till 50 % förutsatt att man använde sig av produkter som omkonstruerats för AM. (Wohlers et al. 2012, s.191) 5 När är additiv tillverkning en lämplig metod för tillverkning? 5.1 Design för additiv tillverkning För att man skall kunna dra full nytta av de fördelar som additiv tillverkning ger krävs det att man tar till sig något som kallas Design For Additive Manufacturing, DFAM. Detta är en ny filosofi för utformning och konstruktion av komponenter som gör att man drar nytta av AM-teknikens fördelar. DFAM står i kontrast mot dagens rådande konstruktionsfilosofi, Design for Manufacturing, DFM, som har mer traditionella bearbetningsmetoder som exempelvis gjutning och skärande bearbetning i åtanke. En stor fördel är att man kan skapa utforma delar som har geometrier som är svåra att tillverka med hjälp av traditionella tillverkningsmetoder som skärande bearbetning och gjutning. Denna geometriska fördel ger ytterligare möjligheter att anpassa produkter efter funktion, ergonomi och estetisk på ett sätt som är svårt att genomföra med dagens metoder. (Wohlers et al. 2012, s.185) En annan stor fördel med DFAM är att konstruktören genom att omkonstruera delar skapade med DFM ges delarna samma mekaniska egenskaper som delar tillverkade med traditionella metoder men med en betydande besparing av både material och vikt hos komponenten (Atzeni & Alessandro 2012). Detta uppnås genom att man har material där det behövs, man analyserar med hjälp av FEA, Finita Elementmetoden (Vayre et al. 2012), för att komma fram till var det behövs mer material och var man kan minska på mängden material med hänsyn till hållfasthet, så kallad topologisk optimering. Exempelvis har flygplanstillverkaren Airbus kommit fram till att man skulle kunna spara mellan 50-27

80% av vikten på sina metallfästen. Denna fördel hos AM används med fördel inom flygindustrin där en liten viktminskning hos ett flygplan kan spara stora mängder bränsle under ett flygplans livstid, under extrema förhållanden kan en 100 kg minskning i vikt leda till en bränslebesparing på 2,5 miljoner USD (Wohlers et al. 2012, s.251). Ett exempel på hur ett fäste till ett flygplan kan se ut efter omkonstruktion jämfört med ett fäste tillverkat enligt DFM kan ses i nedanstående bild (se figur 3). Figur 3. Fästen för användning i flygplan. Det nedre fästet är utformat enligt DFAM och därför utformat för att klara samma belastning men väger betydligt mindre medan det övre är anpassat för tillverkning med konventionella metoder (Interpromodels 2012) Ytterligare en fördel är att man kan utforma produkter som minskar mängden delar och därigenom minskar behovet av montering. Ett exempel på när man har lyckats använda potentialen DFAM för detta ändamål är en länk i en dragkedja som används inom gruvindustrin ett amerikanskt företag vid namn Thogus Product fick i uppgift att omkonstruera. Företaget kunde med hjälp av DFAM ta fram en ny länk som tog bort sex av komponenterna i varje del, vilket minskade monteringskostnaderna. Dessutom så minskade vikten för denna komponent med 70 % (Wohlers et al 2012 sid 52) De möjligheter som AM och DFAM ger kommer inte gratis, utan att man måste känna till AM:s svagheter och begränsningar. Byggriktning, toleranser, svårighet att uppnå ytfinhet och väggtjocklekar (Wohlers et al 2012 sid 185). Man kan heller inte sätta in blanka delar i en AM-maskin hur som helst då de kan skada denna (Boivie 2013). Ytterligare faktorer som belystes av Vayre & Vagre (Vayre & Vagre et al. 2012) är att man inte kan bygga isolerade ihåligheter i alla AM-system, speciellt inte i PBF-system, och att man behöver ta hänsyn till stödmaterial som behövs i vissa system och på vilket sätt som det behövs. Vissa system når dessutom bäst resultat om skarpa hörn undviks, dessa är system som bygger på att man använder ett munstycke för att applicera materialet, se kapitel 3.5. Man behöver känna till dessa faktorer och eventuellt ännu fler för att på ett optimalt sätt kunna använda sig av AM. Då de flesta konstruktörer och industridesigners är influerade av DFM så innebär detta att det i dagsläget skulle vara nödvändigt att omskola dessa för att få dem mottagliga för DFAM potential. Man måste komma ifrån att tänka i de begränsningar som finns inom DFM och lära sig att tänka i nya banor, för att citera Ian Campbell som skriver kapitlet om DFAM i Wohlers Report 2012 (Wohlers et al sid 186), så behöver man tänka outside of the box. Kunskaperna om DFAM är dock i dagsläget begränsade i Sverige. Boivie (Boivie 2013) pekade under vår intervju med honom på bristen på kunskap om området på tekniska högskolor i Sverige. Risken är enligt honom stor att man får personer som därigenom kan påstå sig vara experter på området utan att 28

besitta de kunskaper som krävs. Han efterlyser att man på svenska tekniska högskolor får leka och jobba mer med AM under utbildningen för att man skall kunna bli medveten om tekniken, dess styrkor och svagheter (Boivie 2013). Han tar upp exemplet Lego där de fick in ett antal AM-maskiner som skulle användas för att göra formar för gjutning av plast men där de fick ett halvår på sig att komma underfund med hur man skall kunna använda maskinerna innan de sattes i produktion. Värt att poängtera när det gäller de nyss nämnda fördelarna är att man när man använder DFAM oftast inte är ute efter bara en av dessa fördelar även om man i specifika fall kan vara det. För att det skall vara någon nytta med att använda AM bör man se till att man tillför värde som traditionella tillverkningsprocesser inte kan ge (Boivie 2013) och vi tror att användning av DFAM har här en viktig del i detta. 5.2 Ett samarbete mellan additiv tillverkning och konventionella tillverkningsmetoder Det är lätt att man tänker att additiv tillverkning ska vara en ny revolutionerande teknik som ska komma att ersätta andra konventionella tekniker som används i dagens läge. Detta är något som bör undvikas och istället bör additiv teknik ses som en kompletterande teknik och användas där den skapar unika förutsättningar då teknik ska användas där det ger ett mervärde om det ska fungera under industriella förhållanden (Boivie 2013). En av de unika fördelar som additiv tillverkning kan bidra med vid konventionell tillverkning är geometrisk frihet. Detta ger möjlighet att tillverka produkter med en design som är omöjlig att åstadkomma med konventionella tekniker. Ett bra exempel på ett sådant användningsområde är kylkanaler för att få snabbare avsvalning vid till exempel stelningsprocesser. Konventionell tillverkning utgår ifrån ett råmaterial och bearbetar fram produkter medan additiv tillverkning kan skapa produkten utan att använda överflöd av material. AM kan också skapa mervärde genom att produkten kan fås fram snabbt där konventionell tillverkning skulle vara alltför krånglig och tidskrävande, om inte omöjlig. AM kan även tillverka färdigmonterade produkter med rörlighet, utan att behöva tillverka delarna i produkten separat. Till exempel skulle en planetväxel kunna tillverkas med kugghjul och axlar på plats i solhjulet direkt när produkten kommer ur AM-maskinen (Petrovic 2013). Detta är bara några exempel där användningen av tekniken skulle kunna skapa värde i en produkts tillverkningsprocess genom att utnyttja AM för vissa delar av produkten. Det bör noteras att additiv tillverkning för en hel produkt är mycket tidskrävande oftast tar det flera dagar beroende på storlek, och att metoden fortfarande är väldigt dyr. Med ett samarbete mellan konventionell bearbetning och additiv tillverkning kan nya möjligheter öppnas upp både för produktdesignen och i hela produktens tillverkningsprocess. Ett exempel från Boivie (Boivie 2013) på ett möjligt samarbete mellan AM och en femaxlig fräs med hjälp av ett gemensamt palettsystem(se figur 4). I detta system mäts produkten först upp ordentligt i fräsen för att på sätt kunna sända över mätdata till AM-maskinen. Sedan kan paletten skickas in AMmaskinen för att bygga upp delar av produkten där AM-tekniken har en fördel jämfört med fräsen och på så sätt fås ett mervärde. Paletten kan enkelt föras emellan maskinerna och utnyttja båda där största mervärde fås. Att använda detta redan under tillverkningen ger ett system för att kompensera för AMteknikens generellt dåliga ytfinish och precision och på så sätt fås de ytor man behöver. 29

Figur 4. Konceptbild (Boivie 2013), exempel på arbetsflöde för att optimera tillverkning av insatser till formsprutningsverktyg med hjälp av ett samarbete mellan AM-maskiner och CNC-fräsar. 5.3 AM som service Många av dem som är intresserade av de produkter som AM erbjuder är inte intresserade av tekniken i sig utan av de produkter som kan tillverkas (Boivie 2013). Man är inte från företagens sida intresserad av att ta de overhead- och investeringskostnader som införandet av AM skulle medföra. Därför är det intressant för företag att använda sig av de servicebyråer som finns inom branschen, och som funnits med sedan start. Från början var dessa företag inriktade på ren prototyptillverkning i plast men idag finns det byråer som använder AM-teknologin för tillverkning i metall av delar som även sitter i produkter hos slutanvändaren. Denna grupp av servicebyråer har med andra ord mer och mer börjat utvecklas till underleverantörer av lite mer klassiskt snitt (Wohlers et al. 2012, sid.129). Vi tror att detta bruk av underleverantörer som blir experter på AM på kort sikt kan gynna branschen då de hos dessa företag byggs upp en kunskap om hur tekniken kan användas på bästa sätt. 6 Analys 6.1 Vad hindrar användning av additiv tillverkning vid batchproduktion? I föregående kapitel har flera av de fördelar med att använda AM gentemot dagens konventionella tillverkningstekniker beskrivits. Möjligheten att skapa komplexa geometrier, att tillverka material med inre strukturer av olika slag, snabba omställningstider från ritning till produktion och möjlighet att tillverka material som i dagsläget är svårtillverkade är bara några av de fördelar som finns med tekniken. Dock så har vi i dagsläget inte funnit att tekniken används i någon större utsträckning som tillverkningsmetod inom den tillverkande industrin. Vi har under arbetets gång identifierat att det finns flera hinder för att man fullt ut skall börja använda AM med metall som bas vid direkttillverkning inom tillverkningsindustrin på bred skala. Dessa faktorer samverkar ofta med varandra då man oftast ser till helheten då man överväger ett produktionssystem jämfört med ett annat. Materialkostnader, tillverkningshastigheter, brist på pålitlighet och repeterbarhet i tillverkade delar, materialegenskaper och brist på standarder är flera faktorer som samverkar med varandra och hindrar AM-teknikens utveckling. 30